Steigerung der AlGaN Deep-UV-LED-Effizienz durch gechirpte Supergitter-Elektronenverzögerungsschichten

Zusammenfassung

AlGaN-basierte Deep-Ultraviolett (DUV) Leuchtdioden (LEDs) leiden unter Elektronenüberlauf und unzureichender Lochinjektion. In dieser Arbeit werden neuartige DUV-LED-Strukturen mit Supergitter-Elektronenverzögerungsschicht (SEDL) vorgeschlagen, um die in den aktiven Bereich injizierten Elektronen zu verzögern und die radiative Rekombination zu verbessern. Die Auswirkungen mehrerer gechirpter SEDLs auf die Leistung von DUV-LEDs wurden experimentell und numerisch untersucht. Die DUV-LEDs wurden durch Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) gezüchtet und in 762 × 762 µm² Chips gefertigt, die eine einzelne Peak-Emission bei 275 nm aufweisen. Eine externe Quantenausbeute (EQE) von 3,43 % und eine Betriebsspannung von 6,4 V wurden bei einem Vorwärtsstrom von 40 mA gemessen, was darauf hindeutet, dass die Wandsteckereffizienz (WPE) 2,41 % der DUV-LEDs mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL beträgt. Die Lebensdauer der DUV-LED mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL wurde auf über 10.000 h bei L50 gemessen, aufgrund der geförderten Trägerinjektion.

Einleitung

In jüngster Zeit haben AlGaN-basierte Deep-Ultraviolett (DUV) Leuchtdioden (LEDs), deren Spektren dem UVB (320–280 nm) und UVC (280–100 nm) zugeschrieben werden, viel Aufmerksamkeit aufgrund ihrer Anwendungen in Pflanzenbeleuchtung, Phototherapie, Wasserreinigung und Luft- und Oberflächensterilisation [1,2,3,4,5,6] erregt. Allerdings fällt die Lichtausgangsleistung (LOP) modernster AlGaN-basierter DUV-LEDs erheblich ab, je kürzer die Emissionswellenlänge wird [7, 8]. Diese DUV-LEDs leiden unter niedriger interner Quantenausbeute (IQE), Lichtauskoppeleffizienz (LEE) und Trägerinjektionseffizienz (CIE) [9,10,11,12,13]. Allgemein wird mangelhafte IQE durch hohe Defektdichte und Versetzungsdichten verursacht, während unzureichende LEE auf die Polarisation von AlGaN-Materialien und Absorption durch die nicht-transparente p-GaN-Kontaktschicht zurückzuführen ist [14,15,16,17,18]. Darüber hinaus ist Elektronenüberlauf der Hauptgrund für schlechte CIE, was auf unzureichende Lochdichte und signifikant unausgeglichene Mobilität von Elektronen und Löchern in AlGaN-Materialien zurückzuführen ist [19, 20].

Konventionell wird eine hoch-Al-haltige p-Typ AlGaN-Elektronenblockierschicht (EBL) verwendet, um Elektronenüberlauf zu unterdrücken. Aber nur wenige Löcher können durch die Barriere im Valenzband, die durch die EBL eingeführt wird, in den aktiven Bereich injiziert werden, und noch weniger Löcher können die Barrieren des aktiven Bereichs überwinden und zu den Quantentrögen in der Nähe der n-Typ-Schichten transportieren, wegen der niedrigen Aktivierungseffizienz des Mg-Dopants und der geringen Lochmobilität [21]. Verschiedene Versuche wurden unternommen, um Elektronen- und Lochinjektion zu verbessern, wie Lochbarriereschicht, speziell gestaltete letzte Barriere, EBL und Mehrfachquantentrogstrukturen [22,23,24,25,26]. Dennoch wird die Leistung von DUV-LEDs nicht wesentlich verbessert.

In dieser Arbeit haben wir eine neuartige DUV-LED-Struktur mit Supergitter-Elektronenverzögerungsschicht (SEDL) vorgeschlagen, um die Elektroneninjektion zu verzögern und den Elektronenüberlauf zu unterdrücken, ohne die Lochinjektion zu beeinträchtigen. Wir haben die Auswirkungen mehrerer SEDLs auf die Leistung von DUV-LEDs experimentell und numerisch untersucht. Die DUV-LEDs wurden durch MOCVD gezüchtet und in 762 × 762 µm² Chips gefertigt, die eine einzelne Peak-Emission bei 275 nm aufweisen. Die externe Quantenausbeute (EQE) von 3,43 % und die Betriebsspannung von 6,4 V wurden bei einem Vorwärtsstrom von 40 mA gemessen, was darauf hindeutet, dass die Wandsteckereffizienz 2,41 % der DUV-LEDs mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL beträgt. Die Lebensdauer der DUV-LED mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL wurde auf über 10.000 h bei L50 gemessen. Darüber hinaus wird der Mechanismus der Leistungssteigerung durch theoretische Simulation untersucht. Es wird verifiziert, dass gechirpte SEDLs in der Lage sind, Elektronen- und Lochinjektion in den aktiven Bereich auszugleichen, was die radiative Rekombination in den ersten paar Quantentrögen in der Nähe der n-Typ-Schichten fördert.

Methoden und Experimenteller Abschnitt

Epitaxie durch MOCVD

AlGaN-basierte DUV-LED-Heterostrukturen wurden mit einem vertikalen Kaltwand-MOCVD-System gezüchtet. Für die Epitaxie der Gesamtstruktur wurden Trimethylaluminium (TMA), Trimethylgallium (TMG) und Ammoniak (NH₃) als Al-, Ga- und N-Quellen verwendet. H₂ diente als Trägergas. Abbildung 1a illustriert das Schema für die DUV-LED-Struktur mit gechirpter SEDL. Das Wachstum begann mit einer 2,7-µm-dicken AlN-Schicht, unter Verwendung der Wachstumsmethode mit initialem AlN-Gradienten-Zwischenschicht für Wachstumsmodus-Modifikation [27], gefolgt von einer 3-µm-dicken Si-dotierten Al₀,₆Ga₀,₄N n-Typ-Kontaktschicht, deren Elektronenkonzentration und Mobilität mit 4,5 × 10¹⁸ cm⁻³ bzw. 52 cm²/V·s per Hall-System gemessen wurden. Es folgt die 40-nm-dicke undotierte SEDL. Abbildung 1b–e zeigt die Bandstrukturen der konventionellen DUV-LED und drei vorgeschlagener DUV-LEDs mit SEDL, bezeichnet als Proben A, B, C und D. Wie in Abb. 1c gezeigt, hat Probe B eine uniforme SEDL aus 20-Perioden homogenem Al₀,₆₅Ga₀,₃₅N/Al₀,₅Ga₀,₅N-Supergitter. Die gechirpten SEDLs der Proben C und D bestehen aus vier Sätzen von 5-Perioden-Supergittern mit unterschiedlichen hohen Al-Gehalts-Schichten, nämlich 0,7, 0,65, 0,6 und 0,55, während die Al-Zusammensetzung der niedrigen Al-Gehalts-Schichten konstant bei 0,5 gehalten wird. Für Probe C steigen die Al-Zusammensetzungen der hohen Al-Gehalts-Schichten von unten nach oben allmählich an, was im Gegensatz zu Probe D steht, wie in Abb. 1d und e gezeigt. Die Dicken jeder Schicht für SEDL sind konstant auf 1 nm gesetzt. Der aktive Bereich der DUV-LEDs besteht aus einer Al₀,₆Ga₀,₄N:Si-Verkleidungsschicht für Stromverteilung, gefolgt von einem 5-Perioden-Mehrfachquantentrog, mit 14-nm-dicken Al₀,₅₇Ga₀,₄₃N-Barrieren und 2-nm-dicken Al₀,₄₅Ga₀,₅₅N-Trögen. Dann wurden Al₀,₇Ga₀,₃N:Mg EBL und GaN:Mg p-Typ-Kontaktschicht sequenziell gezüchtet. Die Lochkonzentration und Mobilität von p-GaN wurden mit 3,6 × 10¹⁷ cm⁻³ bzw. 15 cm²/V·s per Hall-System gemessen.

Gerätefertigung

Nach dem MOCVD-Wachstum wurden DUV-LEDs mit Standardverarbeitungstechniken gefertigt. Zunächst wurden Mesa-Strukturen mit quadratischen und Fingergeometrien durch Trockenätzen bis 150 nm unter der Oberseite der Si-dotierten Al₀,₆Ga₀,₄N n-Typ-Kontaktschicht gebildet, gefolgt von einem 900 °C-Glühen zur Reparatur der Ätzschäden. Dann wurde ein Ti/Al/Ni/Au n-Kontakt-Metallstapel abgeschieden und bei 850 °C in Stickstoffatmosphäre geglüht. Anschließend wurde ein ITO-Film verdampft und bei 250 °C für den p-Kontakt geglüht, gefolgt von dicker Elektrodenverdampfung, Passivierungsschichtabscheidung, Pad-Verdampfung und Stealth-Dicing in 762 × 762 µm² Chips.

Simulation

Um den Mechanismus der Leistungssteigerung von DUV-LEDs zu beleuchten, wurden Banddiagramm, optische Eigenschaften und Ladungstransporteigenschaften dieser Struktur durch Lösen der Schrödinger-Gleichung, Poisson-Gleichung, Ladungstransportgleichungen und Stromstetigkeitsgleichung selbstkonsistent mit Crosslight APSYS (Advance Physical Model of Semiconductor Devices) Programmen [28] simuliert. Die Shockley-Read-Hall (SRH) Rekombinationszeit wird auf 1,5 ns für alle Schichten außer der p-Typ-eingefügten Schicht als 1 ns gesetzt, da die SRH-Lebensdauer vom Dotierungsgrad abhängt [29]. Der interne Verlust beträgt 2000 m⁻¹ [30]. Der Bowing-Parameter b ist 1 eV, und das Bandversatz-Verhältnis wird für AlGaN-Materialien als 0,7/0,3 angenommen [31]. Der Auger-Rekombinationskoeffizient wird auf 1 × 10⁻³⁰ cm⁶/s gesetzt, um das Experiment anzupassen [32]. In dieser Simulation werden die eingebauten Grenzflächenladungen aufgrund spontaner und piezoelektrischer Polarisation basierend auf der von Fiorentini et al. vorgeschlagenen Methode berechnet [33]. Darüber hinaus, unter Berücksichtigung der Abschirmung durch Defekte, werden die Oberflächenladungsdichten als 40 % der berechneten Werte angenommen [34].

Ergebnisse und Diskussion

Da alle vier Proben identische AlN- und n-Typ-AlGaN-Templates besitzen, wurden die kristallinen Qualitäten der Proben A, B, C und D durch hochauflösende Röntgenbeugung (HR-XRD) gemessen. Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden Röntgen-Rocking-Kurven (XRC) entlang symmetrischer (002)-Ebene und asymmetrischer (102)-Ebene für beide Schichten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die XRC-Vollbreite bei halber Maximum (FWHM) und Versetzungsdichte (TDD) der vier Proben nahezu identisch sind, was anzeigt, dass die kristalline Qualität nicht der Hauptgrund für die Geräteleistungsverbesserung ist. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass Versetzungsdichten (TDDs) in der AlGaN-Schicht höher sind als in der AlN-Schicht, resultierend aus Mischkristalleigenschaften, Grenzflächendefekten und Si-Dotierverunreinigungen [35]. Laut der Forschung von Ban et al. über die Korrelation zwischen IQE und TDD beträgt die IQE für alle Proben in dieser Arbeit etwa 30–40 % [36].

Um das erfolgreiche Wachstum der neuartigen Struktur zu bestätigen, führten wir querschnittshellefeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie (BF-STEM) Messungen für typische Probe B als Repräsentant durch, wie in Abb. 2 gezeigt. Man kann sehen, dass die TDDs während des gesamten Wachstumsprozesses der 2,7-µm-dicken AlN in Abb. 2a abnehmen. Abbildung 2b zeigt gute Periodizität und fast 1-nm-dicke Schichten in jeder Periode der SEDL. Darüber hinaus werden fünf Perioden von Mehrfachquantentrögen mit eindeutigen Grenzflächen in Abb. 2c erkannt, deren Barrieren 14 nm und Tröge etwa 2,1 nm sind.

Um die Geräteleistung zu untersuchen, wurden DUV-LED-Chips eutektisch auf AlN-Keramiksubstrat gebondet, um den Heizeffekt zu minimieren. Anschließend wurde das Substrat auf eine sechseckige Aluminiumplatte durch Lötpaste montiert. Dann wurden elektrische und optische Messungen durchgeführt, usando ATA-1000 Photoelektrisches Analysesystem ausgestattet mit einer 30-cm-Durchmesser-Integralsphäre [37]. Abbildung 3a zeigt die Variationen der Lichtausgangsleistung (LOP) versus Injektionsstrom. Die LOPs von Probe D mit aufsteigendem Al-Gehalt SEDL betragen 6,17 mW bei 40 mA, 14,99 mW bei 100 mA und 44,975 mW bei 360 mA, was ein Faktor von drei Mal höher ist als bei konventioneller Probe A ohne SEDL. Dies zeigt, dass SEDL förderlich für Elektronenüberlaufunterdrückung und Lochinjektion ist. Gleichzeitig kann leichte LOP-Sättigung für alle vier Proben bei hohen Bias beobachtet werden, was mit Heizeffekt und Auger-Rekombination zusammenhängt [38]. Die EQE gegen Injektionsstrom ist in Abb. 3b dargestellt. Die maximale EQE beträgt 3,43 % bei 40 mA für Probe D, während die EQE nur bei 1,17 % für Probe A ihren Peak hat. Gleichzeitig sind LOP und EQE von Probe D mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL höher als die von Probe B mit uniformer und abnehmender Al-Gehalt SEDLs, was effizientere radiative Rekombination in Probe D demonstriert. Die gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien für alle Proben sind in Abb. 3c gezeigt. Es kann erkannt werden, dass die Einbindung von SEDLs die Betriebsspannung von 5,13 V bei 40 mA für Probe A auf 7,09 V bei 40 mA für Probe B erhöht, aufgrund des Widerstandszuwachses der hohen Al-Zusammensetzung SEDL. Zusätzlich kann gesehen werden, dass die Betriebsspannung für Proben C und D niedriger ist als für Probe B. Laut Strukturdesign und Transmissionsmessung für Einzelschichtproben beträgt der durchschnittliche Al-Gehalt der Barrieren von Probe C und D SEDL 62,5 %, während der von Probe B 65 % beträgt. Der höhere Al-Gehalt führt zu niedrigerer Dotierungseffizienz und höherem Widerstand, was zu der Erhöhung der Betriebsspannung führt. Es ist erwähnenswert, dass die Spannung von Probe D 6,4 V bei 40 mA beträgt, was in der maximalen Wandsteckereffizienz (WPE) von 2,41 % resultiert. Die Elektrolumineszenzspektren bei 10 mA sind in Abb. 3d gezeigt. Die Peak-Emissionen aller vier Proben liegen alle um 275 nm, und der Trend der Peak-Intensität ist derselbe wie LOP. Dies zeigt auch, dass der aufsteigende Al-Gehalt gechirpte SEDL für die Verbesserung der DUV-LED-Geräteleistung verfügbar ist.

Um Licht auf den verantwortlichen Mechanismus für diese Verbesserung zu werfen, wurden theoretische Simulationen mit dem APSYS-Programm durchgeführt und die Ergebnisse in Abb. 4 dargestellt. Die Elektronenstromdichte und Lochstromdichteverteilungen in der Nähe des aktiven Bereichs bei 200 mA werden in Abb. 4a und b berechnet. Es konnte festgestellt werden, dass die Elektroneninjektionsstromdichten der Proben mit SEDL leicht niedriger sind als die von Probe A ohne SEDL, während die Situation für die Lochinjektionsstromdichte umgekehrt ist, was veranschaulicht, dass SEDL in der Lage ist, die Elektronen von der n-Typ AlGaN Elektroneneinjektionsschicht zu verzögern und die Lochinjektion entsprechend zu fördern. Die radiativen Rekombinationsraten für alle Proben wurden in Abb. 4c berechnet. Mit der Einbindung verschiedener SEDLs ist die radiative Rekombinationsrate in den Quantentrögen in der Nähe der n-Typ-Schicht offensichtlich erhöht. Gleichzeitig werden von Probe A zu Probe D die radiativen Rekombinationsraten in den fünf Quantentrögen allmählich einheitlich, was für Probe D mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL fast gleich ist. Dies deutet weiter darauf hin, dass SEDL die Injektion von Elektronen- und Lochträgern in den aktiven Bereich ausgleichen und gleichzeitig die radiative Rekombination in den ersten paar Quantentrögen in der Nähe der n-Typ-Schichten fördern kann. Als Ergebnis wurden die IQEs für die vier Proben simuliert und in Abb. 4d geplottet. Die IQE von Probe D ist die höchste, was mit der EQE in Abb. 4b konsistent ist. Was mehr ist, wird der Effizienzabfall (Efficiency Droop) in der Probe mit SEDL offensichtlich verbessert. Im gesamten Injektionsstrombereich beträgt der Effizienzabfall 70,33 %, 59,79 %, 48,93 % und 36,26 % für Proben A, B, C und D, jeweils, definiert als Effizienzabfall = (IQE_max − IQE_{250 mA})/IQE_max. Der Effizienzabfall wird allgemein durch Elektronenleckage und unzureichende Lochinjektion verursacht [39]. Die Verbesserung des Effizienzabfalls klärt, dass SEDL den Ladungstransport in den aktiven Bereich ausgleichen und die radiative Rekombination in den Quantentrögen fördern kann, was letztendlich die Geräteleistung verbessert.

Die Lebensdauer der Geräte wurde bei 20 mA und Raumtemperatur gemessen. Für jede Probe wurden zur Sicherstellung der Genauigkeit der Ergebnisse 10 Chips zufällig ausgewählt und der Durchschnitt der relativen LOP von ihnen zu verschiedenen Stresszeiten in Abb. 5 dargestellt. Wie gezeigt, ist die Lebensdauer der Proben mit SEDL im Vergleich zu Probe A offensichtlich verlängert. Die Degradation von LED-Geräten ist teilweise mit Defektakkumulation, ohmschen Leitkanälen und mangelhafter Trägerinjektion verbunden [40]. Die Verbesserung der Lebensdauer verifiziert weiter, dass SEDL den Elektronen- und Lochtransport ausgleichen und die Trägerinjektion in den aktiven Bereich fördern könnte. Darüber hinaus beträgt die durchschnittliche Betriebslebensdauer für Probe D mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL über 10.000 h bei L50, was für praktische Anwendungen ausreichend ist.

Schlussfolgerung

Die Auswirkungen der gechirpten Supergitter-Elektronenverzögerungsschicht auf die DUV-LEDs werden experimentell und numerisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass gechirpte SEDLs in der Lage sind, Elektronen- und Lochinjektion in den aktiven Bereich auszugleichen, was die radiative Rekombination in den ersten paar Quantentrögen in der Nähe der n-Typ-Schichten fördert. Die Zunahme der radiativen Rekombination führt weiter zur Verbesserung der DUV-LED-Geräteleistung. Die AlGaN-basierten DUV-LEDs wurden in 762 × 762 µm² Chips gefertigt, die eine einzelne Peak-Emission bei 275 nm aufweisen. Externe Quantenausbeute von 3,43 % und Betriebsspannung von 6,4 V werden bei einem Vorwärtsstrom von 40 mA gemessen, was demonstriert, dass die Wandsteckereffizienz 2,41 % der DUV-LEDs mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL beträgt. Die Lebensdauer der DUV-LED mit aufsteigendem Al-Gehalt gechirpter SEDL wird auf über 10.000 h bei L50 gemessen, aufgrund der Trägerinjektionsförderung. Weitere Verbesserungen können durch Einführung von Laser-Lift-Off, Oberflächenrauung, reflektierender Elektrode und Einkapselung erwartet werden. Im Allgemeinen zeigt die entworfene DUV-LED mit gechirpter SEDL zufriedenstellende elektrische Eigenschaften, günstige optische Leistung und wünschenswerte Zuverlässigkeit, was vielversprechend für hocheffiziente Wasserreinigung und Oberflächensterilisation ist.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten und Materialien im Manuskript sind verfügbar.

Abkürzungen

APSYS:

Advance Physical Model of Semiconductor Devices

BF-STEM:

Hellfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie

CIE:

Trägerinjektionseffizienz

DUV:

Deep Ultraviolett

EBL:

Elektronenblockierschicht

EQE:

Externe Quantenausbeute

FWHM:

Volle Breite bei halber Maximum

HR-XRD:

Hochauflösende Röntgenbeugung

IQE:

Interne Quantenausbeute

LED:

Leuchtdiode

LEE:

Lichtauskoppeleffizienz

LOP:

Lichtausgangsleistung

MOCVD:

Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung

SEDL:

Supergitter-Elektronenverzögerungsschicht

SRH:

Shockley-Read-Hall

TDD:

Versetzungsdichte

TMA:

Trimethylaluminium

TMG:

Trimethylgallium

WPE:

Wandsteckereffizienz

XRC:

Röntgen-Rocking-Kurve